近日，天津大學精密儀器與光電子工程學院教授胡小龍課題組成功研制了一種具有分形結構的超導 納米線單光子探測器（以下簡稱“分形SNSPD”）。這一成果能為光量子計算、量子密鑰分發(fā)、遠距離空間光通信、光學成像等領域提供性能優(yōu)異的單光子探測器。相關論文發(fā)表于國際期刊《IEEE量子電子學精選專題期刊》。

據(jù)介紹，單光子探測器是一種具有極限靈敏度的光電探測器，在捕捉和記錄光信號方面發(fā)揮著至關重要的作用，是推動高靈敏探測、弱光成像、光量子信息處理技術發(fā)展不可或缺的核心器件。然而，傳統(tǒng)的單光子探測器有種種局限，或受限于探測光譜范圍、響應速度、信噪比，或受限于光子的偏振態(tài)（光的極化方向）。研究團隊從自然界的分形幾何中得到靈感，設計出一種全新的分形納米線結構，為偏振無關的高效率單光子探測開辟新路徑。

分形結構普遍存在于自然界，如樹杈、雪花、蕨類植物的葉子等都屬于分形結構。分形納米線結構復雜而精密。這種幾何結構賦予單光子探測器高效率探測任意偏振態(tài)入射光子的能力，也對器件和芯片的微納加工工藝提出了很高要求。為了讓器件實現(xiàn)設計的結構與功能，納米線的寬度要控制在40納米，也就是人的頭發(fā)直徑的1/2500，且加工出來的納米線必須邊沿光滑，沒有缺陷。

經(jīng)過多年研發(fā)與工藝迭代，研究團隊利用先進的納米加工技術，開發(fā)出穩(wěn)定的器件與芯片微納加工流程。針對不同應用場景，團隊在多個工作波段研制出性能優(yōu)異的分形SNSPD器件、芯片、模塊、系統(tǒng)。

分形SNSPD的應用前景非常廣闊。單光子探測器對光量子計算系統(tǒng)至關重要，能夠高效捕獲量子信息。研究團隊已與國內(nèi)多個單位合作，將分形SNSPD應用于實驗量子光學以及對納米激光器的表征等方面。此外，在光通信領域，分形SNSPD有望顯著提升光子所攜帶信息的傳輸速度，降低信號損失，為超遠距離的空間光通信提供有力支撐。該探測器還將在光學成像領域發(fā)揮重要作用，特別是在醫(yī)學診斷中，能夠提供更高的分辨率和更清晰的成像效果，助力早期診斷和精準治療。

胡小龍表示，分形SNSPD不僅顯著提升了單光子探測器的性能，還是微納光電子器件與分形幾何交叉融合的成果，是從原始創(chuàng)意到實用化器件與系統(tǒng)全鏈條自主研發(fā)的創(chuàng)新實踐。下一步，團隊計劃將分形SNSPD推向產(chǎn)業(yè)化，以推動相關領域和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。